1、, Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)第二講 地基微波輻射計的基本原理, Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)p基本概念基本概念p天線溫度天線溫度p微波輻射計工作原理微波輻射計工作原理 , Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)輻亮度與天線rrttBAPtrttBAPI在 內

2、的發射功率為 定義輻射強度 接收面元： 輻亮度B (Radiance)：單位輻射源表面積、單位時間、向單位立體角所輻射的能量，單位為 Wm-2sr-1 , Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)接收面元：設想在距離R處，有一接收面，如下圖左半，剛好卡在內2RArr2RArr或, Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)接收面所接收到的功率 ttrrPBAP 2trrttrrtBA APP

3、BABAR , Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)天線接收功率的計算 trdABFP,4r天線接收到的功率為：,F 為天線的方向性函數, Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)天線的頻率響應：頻響函數 f0maxff 定義帶寬 ：f max21 f 時的頻率范圍 ，稱為帶寬，也叫半功率帶寬。天線接收到的功率為： 00/2r/24,fffrffPfBFA ddf dfdAFBfPrf

4、fff,004r或者, Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)天線溫度與氣象信號, Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)天線溫度nPkT fePkTfeT在電子線路中，溫度為T的電阻, 產生輸入到系統的熱噪聲功率為 。天線輸出其后端接收機的功率 , 相當于一個溫度為Te的電阻所產生的熱噪聲功率。所以，Te就稱為“天線溫度”。 nPkT fePkT, Dept. of Atmos. S

5、ounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST) 天線溫度：天線溫度不是天線自身的物理溫度，而是代表外來能量。 44( , ) ( , )( , )BATFdTFd , Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)輻射計系統： 天線傳輸線接收機 p 天線：物理溫度，有損耗即“有吸收就有熱輻射”，功率透射系數。p 天線端口輸出功率： fkTPPPllAout)1 ()(AkTfPlAlATTT)1 (其中，, Dept. of Atmo

6、s. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)p傳輸線：物理溫度通常也是 ，信號損耗因子 1。理想傳輸線L=1;p接收機：p 現實接收機無噪聲接收機等效熱噪聲源poutinPPL pT, Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)稱 為系統噪聲功率，相當于在傳輸線的輸入端口就是天線的輸出端口輸入的總功率。 記接收機等效熱噪聲溫度Tr, 則在接收機輸入端口處的功率可表示為：fkTfkTLPLPrPAout)11 (1)(fk

7、TLsys1rPlAlsysLTTLTT)(其中，稱sysT為系統噪聲溫度fkTP, Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)Typical Antenna Power Patterns , Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST), Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)主瓣內， 與

8、方向無關，可用 表示。（0，0為天線指向。由天線溫度表達式可知， 天線方向性函數內不在內在很小的主瓣立體角當MMF0,1),(),(BT),(00BTdTTMBMA),(1),(00BT即，天線溫度 成為從天線所指方向射入天線的亮溫度 。 這就是我們所要的信息，代表（0，0方向上被測目標物的輻射狀態如物理溫度，輻射物質含量等）。 ATBT, Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)地基微波輻射計的基本原理, Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of

9、 Info. Sci.& Tech. (NUIST)p微波輻射計被動地測量目標物在某個頻率附近發射的熱輻射功率 。大氣物理學院大氣探測系大氣物理學院大氣探測系地基微波輻射計系統框圖接收機, Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)輻射計本振頻率 ，中頻為 ，因此進入天線可以被測量的微波頻率可以是 p微波輻射計的工作頻率0f10fffIIfff01Ifff01，或是單信道接收機：射頻單元天線到射放只工作在 或雙信道接收機：射頻單元需同時工作在這樣，接收功率大但對射放要求高1f2f12&

10、amp;, Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST) 具有隨機熱噪聲的性質，要測量它在一定時間內的積分，才能取出穩定的振幅，作為“信號功率，使得 p系統的增益BT稱之為輻射計系統的增益。 sGsyssoutTGVp系統的靈敏度BTTsyssys為輻射計系統的帶寬， 為積分時間。 B, Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)全功率輻射計與Dicke輻射計 1)全功率: 天線連續接收外來熱輻

11、射(不是脈沖式的)。問題: 系統增益 若不穩定，則破壞了 與 的確定關系。sGoutVsysT, Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)2)Dicke輻射計: 脈沖式的接收外來輻射。 全功率輻射計與Dicke輻射計 Dicke開關交替地接通1、2兩端，在已知參考負載溫度TR的情況下，利用兩個輸出VOA和VOB來（1解決增益不穩定性的影響。VOA=kGsTA，VOB=kGsTR，假設在一個開關周期內穩定，那么TA = TR* VOA /VOB，則與增益是否穩定無關！（2解決接收機內部噪聲Tr

12、和增益不穩定性的影響。 VOA=kGs (TA+Tr) VOB=kGs (TR+Tr) 假設在一個開關周期內穩定，那么 兩信號之差D= k(TA-TR) 與噪聲 Tr無關，可以從中獲得被測TA。若能調整TR的值，使得兩信號之差D=0，則得TA =TR ，則與增益是否穩定無關！稱此為平衡式Dicke輻射計。與增益是否穩定有關!, Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)輻射計的定標 輻射計接收機所得功率(或 )與 （即 ）成線性關系： sysPATBTBPaTb其中系數a、b為與輻射計系統性能

13、和環境溫度有關的系數。可通過輻射計系統定標來確定。, Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST) （1實驗室方法高低溫負載法: 把天線或其傳輸線輸入口放在恒溫槽內，那么，觀測P隨T的變化，可得 的關系。 （2晴空外場法自然定標法: 把天線放在外場,取晴朗夜晚、靜風，施放探空儀得(Z)、( Z)。由輻射傳輸方程后面介紹可計算出在不同仰角時的值。改變天線仰角可得相應的讀數,計算回歸系數,即可得 。baTPBbaTPB, Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ.

14、 of Info. Sci.& Tech. (NUIST) Measure output voltages V1 and V2 from two blackbody targets at temperatures T1 and T2112212121212)(TGVTGVOTTVVGTTGVV, Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)Cautions: Need high emissivity target (low reflectivity) Uniform temperatur

15、e throughout target Area large enough to cover more than main , Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST), Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)LN2 TARGET PLACED ON RADIOMETRICSMWR ON ARM SGP FIELD SITE, Dept. of Atmos. Sounding, Nanj

16、ing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)LN2 TARGET PLACED ON RADIOMETRICSMWR ON ARM TWP NAURU FIELD SITE, Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)Liquid Nitrogen calibration of microwave radiometersRadiosonde Humidity Soundings and Microwave Radiometers during Nauru99, E. Westwater, B. Stankov, D. Cimini, Y. Han, J. Shaw, B. Lesht and C. Long, JAOT, , Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)Radiometrics Microwave Radiometer)()(refskyrefndrefndrefbVVVVTTTvRadiomet